RU2115993C1

RU2115993C1 - Secondary power supply

Info

Publication number: RU2115993C1
Application number: RU95112302A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Ильин; В.Н. Козлов
Original assignee: Чувашский государственный университет им.И.Н.Ульянова
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1998-07-20

Abstract

FIELD: electrical engineering, in particular, power supply for automation and computer engineering. SUBSTANCE: device is designed using self-exciting reverse-motion transistor converter and has additional controlled gate, which by-passes one of transformer secondary windings and separate feedback circuits which set operation modes of transistor and controlled gate. Additional units which check signals in feedback circuits and additional time-setting circuits provide possibility to detect anomalous modes and to break power supply. EFFECT: prevention of anomalous power supply modes which are harmful for load. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках электропитания устройств автоматики и вычислительной техники. The invention relates to electrical engineering and can be used in power sources of automation devices and computer technology.

Известен источник вторичного электропитания на основе обратноходового преобразователя, содержащий многообмоточный трансформатор с первичной обмоткой, соединенной с входными выводами через силовой транзистор, обмоткой возбуждения, подключенной к входу силового транзистора, и вторичными обмотками, соединенными через выпрямительные диоды и сглаживающие фильтры с выходными выводами источника. Цепь обратной связи с широтно-импульсным модулятором, подключенным к входу силового транзистора, обеспечивает режим стабилизации выходных напряжений, а узел контроля тока силового транзистора, соединенного с входом управляющего транзистора, шунтирует вход силового - защиту от перегрузки по току и выходных коротких замыканий [1]. A known source of secondary power supply based on a flyback converter containing a multi-winding transformer with a primary winding connected to the input terminals through a power transistor, an excitation winding connected to the input of the power transistor, and secondary windings connected through rectifier diodes and smoothing filters with the output terminals of the source. The feedback circuit with a pulse-width modulator connected to the input of the power transistor provides a mode of stabilization of the output voltages, and the current monitoring unit of the power transistor connected to the input of the control transistor shunts the power input - protection against current overload and output short circuits [1] .

Такой источник имеет ограниченный диапазон изменения тока нагрузки. В нестационарных режимах, в частности при сбросе и набросе нагрузки, имеют место значительные изменения выходных напряжений, а при перегрузке по току в одном или нескольких выходных каналах возникает режим с пониженным уровнем выходных напряжений. Источник с малым динамическим диапазоном изменения нагрузки, допускающий большие отклонения уровней выходных напряжений, имеет ограниченную область применения. Such a source has a limited range of variation of the load current. In non-stationary modes, in particular during load shedding and surge, significant changes in output voltages take place, and when overcurrent occurs in one or more output channels, a mode with a low level of output voltages occurs. A source with a small dynamic range of load variation, which allows large deviations of the output voltage levels, has a limited scope.

Известен источник электропитания на основе обратноходового преобразователя, содержащий дополнительно вторую цепь обратной связи и управляемый ключ, закорачивающий выходные выводы [2] . С помощью управляемого ключа обеспечивается защита от выходных перенапряжений, а неблагоприятное влияние больших изменений тока потребителя на работу преобразователя исключается путем его загрузки на нерегулируемый энергоемкий преобразователь. Использование последнего вызывает усложнение схемы и ухудшение массообъемных показателей устройств питания. Кроме того, такой источник не исключает неблагоприятный для ряда потребителей режим работы с пониженным уровнем выходных напряжений, возникающий при перегрузке по току, который можно назвать аномальным. A known power source based on a flyback converter, additionally containing a second feedback circuit and a controlled key shorting the output terminals [2]. Using a controlled key, protection against output overvoltages is provided, and the adverse effect of large changes in consumer current on the operation of the converter is eliminated by loading it on an unregulated energy-intensive converter. The use of the latter causes a complication of the circuit and a deterioration in the mass-volume indicators of power devices. In addition, such a source does not exclude a mode of operation with a low level of output voltages that is unfavorable for a number of consumers and arises during overcurrent, which can be called anomalous.

Наиболее близким по технической сущности является источник питания на основе обратноходового преобразователя, в котором управляемый ключ шунтирует одну из вторичных обмоток трансформатора [3]. Такой источник не требует дополнительной нагрузки при возникновении выходных перенапряжений. Он имеет расширенный диапазон изменения тока потребителя и обеспечивает строгое ограничение уровня выходных перенапряжений во всех стационарных и нестационарных режимах. Однако он также допускает аномальные режимы работы с пониженным уровнем выходного напряжения, что ограничивает область его применения. The closest in technical essence is a power supply based on a flyback converter, in which a controlled key shunts one of the secondary windings of the transformer [3]. Such a source does not require additional load in the event of output overvoltages. It has an extended range of changes in consumer current and provides strict limitation of the level of output overvoltages in all stationary and non-stationary modes. However, it also allows abnormal operating conditions with a low level of output voltage, which limits its scope.

Задачей изобретения является создание источника питания, обеспечивающего выявление аномального для потребителя режима, и прерывание питания при его возникновении. The objective of the invention is the creation of a power source that identifies abnormal for the consumer mode, and interruption of power when it occurs.

Предлагаемый источник вторичного электропитания на основе обратноходового преобразователя, содержащий многообмоточный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с входными выводами источника через силовой транзистор, к входу которого подключены обмотка возбуждения и пусковой узел, а по крайней мере одна из вторичных обмоток, соединенных через выпрямительные диоды и сглаживающие фильтры с выходными выводами источника, шунтирована управляемым ключом, узел контроля тока перегрузки и первую цепь обратной связи с широтно-импульсным модулятором, выходы которых соединены с входом управляющего транзистора, шунтирующего вход силового, и вторую цепь обратной связи, подключенной к входу управляемого ключа, дополнительно включает узел контроля сигнала первой цепи обратной связи и времязадающую цепь, через которую этот узел подключен к входу управляющего транзистора. The proposed secondary power source based on a flyback converter, comprising a multi-winding transformer, the primary winding of which is connected to the input terminals of the source through a power transistor, the input of which is connected to an excitation winding and a starting unit, and at least one of the secondary windings connected through rectifier diodes and smoothing filters with output terminals of the source, shunted by a controlled key, overload current monitoring unit and the first feedback circuit with a pulse-width impulse snym modulator, the outputs of which are connected to the input of the control transistor, the bypass input power and a second feedback circuit connected to the input of controllable switch further includes a signal control node of the first feedback circuit and of the timing chain, via which the node is connected to the input of the control transistor.

Кроме того, введена дополнительно вторая времязадающая цепь, через которую вторая цепь обратной связи соединена с первой цепью обратной связи. In addition, an additional second timing circuit has been introduced through which the second feedback circuit is connected to the first feedback circuit.

Дополнительно введенные узлы и их связи с имеющимися в прототипе узлами позволяют распознать аномальный режим работы, при котором выходное напряжение ниже допустимого уровня, и сформировать блокирующее воздействие на силовой транзистор. Аномальный режим, связанный со снижением уровня выходного напряжения, выявляется по факту отсутствия сигнала обратной связи с выхода широтно-импульсного модулятора. Первая времязадающая цепь позволяет отстраиваться от кратковременных динамических процессов, имеющих место при пуске или набросе нагрузки, и выявлять только длительные аномальные режимы. Вторая времязадающая цепь позволяет отстраиваться от кратковременных динамических процессов в период работы управляемого ключа, имеющих место при сбросе нагрузки, и выявлять режим холостого хода, который на начальном этапе его возникновения также можно считать аномальным. При выявлении аномального режима блокируется управление регулирующим транзистором и прерывается питание потребителя. Additionally introduced nodes and their connections with the nodes in the prototype allow you to recognize an abnormal mode of operation at which the output voltage is below an acceptable level, and form a blocking effect on the power transistor. The abnormal mode associated with a decrease in the output voltage level is detected by the fact that there is no feedback signal from the output of the pulse-width modulator. The first timing circuit allows you to rebuild from short-term dynamic processes that occur during start-up or load surge, and to identify only long-term abnormal conditions. The second timing circuit allows you to rebuild from short-term dynamic processes during the operation of the managed key that occur during load shedding, and to identify the idle mode, which at the initial stage of its occurrence can also be considered anomalous. When an abnormal mode is detected, the control of the control transistor is blocked and the consumer's power is interrupted.

На чертеже приведена функциональная схема предложенного вторичного источника электропитания. The drawing shows a functional diagram of the proposed secondary power source.

К входным выводам 1 и 2 источника через силовой транзистор 3 подключена первичная обмотка 4 многообмоточного трансформатора 5, обмотка возбуждения 6 которого соединена через токозадающую цепь 7 с входом силового транзистора, а вторичные обмотки 8 и 9 - через выпрямительные диоды 10 и 11 и сглаживающие емкостные фильтры 12 и 13 с выходными выводами 14, 15 и 16. Одна из вторичных обмоток, например 8, шунтирована управляемым ключом 17. Первая цепь обратной связи 18 с широтно-импульсным модулятором 19 и узлом гальванической развязки 20 соединена по входу с измерительным резистором 21, подключенным к выходным выводам 14 и 16, а по выходу - через токозадающую цепь 22 с входом управляющего транзистора 23, шунтирующего вход силового транзистора 3. Кроме того, к входу управляющего транзистора 23 подключены через токозадающую цепь 24 узел контроля тока перегрузки 25 силового транзистора 3, а через токозадающую 26 и времязадающую 27 цепи - узел контроля выходного сигнала первой цепи обратной связи 28. Вторая цепь обратной связи 29, подключенная к входу управляемого ключа 17, связана с широтно-импульсным модулятором 19 через вторую времязадающую цепь 30. Режим начального пуска задается пусковым узлом 31, подключенным к входным выводам 1 и 2 источника и связанным с входом силового транзистора 3. The primary winding 4 of the multi-winding transformer 5 is connected to the input terminals 1 and 2 of the source through a power transistor 3, the field winding 6 of which is connected through a current-supply circuit 7 to the input of the power transistor, and the secondary windings 8 and 9 are connected through rectifier diodes 10 and 11 and smoothing capacitive filters 12 and 13 with output terminals 14, 15 and 16. One of the secondary windings, for example 8, is shunted by a controlled key 17. The first feedback circuit 18 with a pulse-width modulator 19 and a galvanic isolation unit 20 is connected at the input to an output resistor 21 connected to the output terminals 14 and 16, and the output through the current-setting circuit 22 with the input of the control transistor 23, shunting the input of the power transistor 3. In addition, an overload current monitoring unit 25 is connected to the input of the control transistor 23 power transistor 3, and through the current-setting 26 and timing 27 circuits - the control unit of the output signal of the first feedback circuit 28. The second feedback circuit 29 connected to the input of the controlled key 17 is connected to a pulse-width modulator 19 Erez second time-setting circuit 30. The cold start mode is set trigger assembly 31 connected to the input terminals 1 and 2 and the source connected to the input of the power transistor 3.

В стационарном режиме при уровнях выходных напряжений в пределах номинальных значений на работу устройства воздействует только первая цепь обратной связи 18. Вторая цепь обратной связи 29 не срабатывает, и управляемый ключ 17 находится в непроводящем состоянии. Появление сигнала на выходе узла гальванической развязки 20 цепи обратной связи 18 вызывает отпирание управляющего транзистора 23 и запирание силового транзистора 3. В результате магнитная энергия, накопленная в индуктивности первичной обмотки 4 в период открытого состояния силового транзистора 3, трансформируется во вторичные обмотки 8 и 9 и передается через диоды 10 и 11, сглаживающие емкостные фильтры 12 и 13 на выходные выводы 14, 15 и 16 к потребителю. При этом на обмотке возбуждения 6 трансформатора 5 устанавливается напряжение отрицательной полярности, поддерживающее силовой транзистор 3 в закрытом состоянии. In stationary mode, at output voltage levels within the rated values, only the first feedback circuit 18 affects the operation of the device. The second feedback circuit 29 does not work, and the controlled key 17 is in a non-conductive state. The appearance of the signal at the output of the galvanic isolation node 20 of the feedback circuit 18 causes the control transistor 23 to unlock and the power transistor 3 to lock. As a result, the magnetic energy stored in the inductance of the primary winding 4 during the open state of the power transistor 3 is transformed into secondary windings 8 and 9 and transmitted through diodes 10 and 11, smoothing capacitive filters 12 and 13 to the output terminals 14, 15 and 16 to the consumer. At the same time, a negative polarity voltage is established on the field winding 6 of the transformer 5, which maintains the power transistor 3 in the closed state.

В момент времени окончания процесса спада тока во вторичных обмотках 8 и 9 до нуля в выпрямительных диодах 10 и 11 возникают обратные токи в течение короткого интервала времени восстановления запирающих свойств p-n-переходов, которые вызывают появление на обмотке возбуждения 6 напряжения положительной полярности. Силовой транзистор 3 приоткрывается, под действием входного напряжения в первичной обмотке 4 трансформатора 5 возникает ток, и за счет положительной обратной связи через обмотку 6 силовой транзистор 3 переходит в насыщенное проводящее состояние. Напряжения, трансформируемые на вторичных обмотках 8 и 9, прикладываются к диодам 10 и 11 в обратном направлении и поддерживают их в непроводящем состоянии в течение всего интервала времени открытого состояния силового транзистора 3. Ток в первичной обмотке 4 трансформатора 5 нарастает практически по линейному закону, причем скорость его нарастания ограничивается индуктивностью первичной обмотки 4. Происходит процесс накопления магнитной энергии, который прерывается в момент прихода следующего сигнала с выхода цепи обратной связи 18. Силовой транзистор 3 запирается, накопленная магнитная энергия трансформируется во вторичные обмотки и процесс передачи ее потребителю повторяется. At the time of the end of the process of current decay in the secondary windings 8 and 9 to zero in the rectifier diodes 10 and 11, reverse currents occur during a short time interval for the recovery of the blocking properties of the p-n junctions, which cause a positive polarity voltage to appear on the excitation winding 6. The power transistor 3 opens, under the influence of the input voltage in the primary winding 4 of the transformer 5, current arises, and due to the positive feedback through the winding 6, the power transistor 3 goes into a saturated conducting state. The voltages transformed on the secondary windings 8 and 9 are applied to the diodes 10 and 11 in the opposite direction and maintain them in a non-conducting state for the entire time interval of the open state of the power transistor 3. The current in the primary winding 4 of the transformer 5 rises almost linearly, and its slew rate is limited by the inductance of the primary winding 4. There is a process of magnetic energy accumulation, which is interrupted at the moment the next signal arrives from the output of the feedback circuit 18. Force th transistor 3 is locked, the accumulated magnetic energy is transformed into the secondary winding and the transfer process to the consumer repeats.

Стабилизация выходных напряжений обеспечивается с помощью модулятора 19 в цепи обратной связи 18 путем регулирования длительности открытого состояния силового транзистора 3 обратно пропорционально отклонению напряжения, снимаемого с измерительного резистора 21, от заданного уровня напряжения уставки. Выходным сигналом цепи обратной связи 18 служит короткий импульс напряжения, длительность которого достаточна для надежного запирания силового транзистора 3. Дальнейшее удержание его в закрытом состоянии в период передачи магнитной энергии потребителю, а также самовозбуждение и поддерживание его в открытом состоянии в период накопления магнитной энергии обусловлены только обмоткой возбуждения 6. Stabilization of the output voltages is provided by a modulator 19 in the feedback circuit 18 by adjusting the duration of the open state of the power transistor 3 is inversely proportional to the deviation of the voltage taken from the measuring resistor 21 from a given voltage level setting. The output signal of the feedback circuit 18 is a short voltage pulse, the duration of which is sufficient for reliable locking of the power transistor 3. Further holding it closed during the transfer of magnetic energy to the consumer, as well as self-excitation and keeping it open during the period of magnetic energy storage, are caused only by field winding 6.

Надежное первоначальное возбуждение силового транзистора 3 осуществляется пусковым узлом 31, формирующим маломощные короткие импульсы с частот повторения много ниже рабочей частоты преобразователя. Reliable initial excitation of the power transistor 3 is carried out by the start-up unit 31, which forms low-power short pulses with repetition frequencies much lower than the operating frequency of the converter.

В пусковой период, а также во время перегрузки по току, когда выходные напряжения ниже некоторого допустимого уровня, длительность открытого состояния силового транзистора будет определяться действием сигнала узла контроля тока перегрузки 25 на управляющий транзистор 23. Сигналы на выходе цепи обратной связи 18 будут в этот период времени отсутствовать. И если время его отсутствия будет больше максимальной длительности времени пускового процесса, задаваемого времязадающей цепью 27, то на выходе последнего формируется потенциальный сигнал, который отпирает управляющий транзистор 23 и блокирует силовой транзистор 3 от всех возможных воздействий. Таким образом, происходит разделение пускового и аномального режимов и прерывание электропитания потребителя. In the starting period, as well as during overcurrent, when the output voltage is below a certain acceptable level, the duration of the open state of the power transistor will be determined by the action of the signal of the overload current monitoring unit 25 on the control transistor 23. The signals at the output of the feedback circuit 18 will be in this period time out. And if the time of its absence is longer than the maximum duration of the starting process specified by the timing circuit 27, then a potential signal is generated at the output of the latter, which unlocks the control transistor 23 and blocks the power transistor 3 from all possible effects. Thus, there is a separation of starting and abnormal modes and interruption of the power supply to the consumer.

При нормальном режиме пуска появление сигнала обратной связи 18 вызывает срабатывание функционального узла 28 и кратковременное блокирование (сброс) времязадающей цепи, исключающее появление на его выходе потенциального сигнала и прерывание электропитания потребителя. In the normal start-up mode, the appearance of the feedback signal 18 causes the functional unit 28 to operate and briefly block (reset) the timing circuit, eliminating the appearance of a potential signal at its output and interrupting the power supply to the consumer.

В случае возникновения выходного перенапряжения при частичном или полном сбросе нагрузки вступает в работу вторая цепь обратной связи 29, обеспечивающая периодическое отпирание и запирание управляемого ключа 17. Происходит процесс регулирования подачи энергии, накопленной в трансформаторе, на выходные выводы 14, 15 и 16 устройства. При этом имеет место эффективное ограничение уровня выходных напряжений. По окончании процесса полного сброса магнитной энергии трансформатора происходит, как в рассмотренном выше случае стационарного режима работы устройства, повторное самовозбуждение силового транзистора 3. In the event of an output overvoltage during partial or complete load shedding, the second feedback circuit 29 enters into operation, which periodically unlocks and locks the controlled key 17. The process of regulating the supply of energy stored in the transformer to the output terminals 14, 15 and 16 of the device takes place. In this case, there is an effective limitation of the level of output voltages. At the end of the process of complete discharge of the magnetic energy of the transformer, as in the case of the stationary mode of operation of the device considered above, the self-excitation of the power transistor 3 is repeated.

В отличие от нестационарных режимов, вызывающих лишь кратковременную работу управляемого ключа 17, длительный режим холостого хода характеризуется большей его загрузкой и требует использования силового ключа 17 с установленной мощностью, близкой мощности силового транзистора 3. Так как для ряда устройств холостой ход не предусматривается, то он также может считаться аномальным, требующим прерывания питания. Для его уверенного распознавания в рассмотренном источнике использована вторая времязадающая цепь 30, выходной сигнал которой блокирует широтно-импульсный модулятор первой цепи обратной связи 18. В результате оперативного выявления режима холостого хода и прерывания питания потребителя удастся ограничить установленную мощность управляемого ключа 17, уменьшить его габариты и повысить надежность работы устройства. In contrast to non-stationary modes, which cause only a short-term operation of the controlled key 17, the long idle mode is characterized by its greater load and requires the use of a power key 17 with installed power close to the power of the power transistor 3. Since no idling is provided for a number of devices, it can also be considered abnormal requiring a power interruption. For its reliable recognition in the considered source, a second timing circuit 30 is used, the output signal of which is blocked by a pulse-width modulator of the first feedback circuit 18. As a result of the rapid identification of the idling mode and interruption of the consumer's power, it will be possible to limit the installed power of the controlled key 17, reduce its dimensions and increase the reliability of the device.

Таким образом, введение в известный источник электропитания новых узлов и связей позволяет выявить аномальные режимы, неблагоприятные для потребителя, и обеспечить прерывание потребителя. Thus, the introduction of new nodes and connections into a well-known power source makes it possible to identify abnormal conditions that are unfavorable for the consumer and to ensure interruption to the consumer.

Используемая литература. Used Books.

1. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992, с. 193, рис. 10.28. 1. Sergeev B.S. Circuitry of functional units of secondary power sources: Reference. - M .: Radio and communications, 1992, p. 193, fig. 10.28.

2. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. - М.: Радио и связь, 1987, с. 154, рис. 8.3. 2. Bass A.A., Milovzorov V.P., Musolin A.K. Secondary power supplies with transformerless input. - M .: Radio and communications, 1987, p. 154, fig. 8.3.

3. Авторское свидетельство СССР N 1721751, H 02 M 3/335, 1992. 3. USSR author's certificate N 1721751, H 02 M 3/335, 1992.

Claims

1. A secondary power source based on a flyback converter, comprising a multi-winding transformer, the primary winding of which is connected to the input terminals of the source through a power transistor, the input of which is connected to an excitation winding and a starting unit, and at least one of the secondary windings connected through rectifier diodes and smoothing filters with output terminals of the source, shunted by a controlled key, the first feedback circuit with a pulse-width modulator, the output of which is connected to the input of the control transistor, shunting the input of the power transistor, and a second feedback circuit connected to the input of the controlled key, characterized in that it additionally includes a control unit for the signal of the first feedback circuit and a timing circuit through which this node is connected to the input of the control transistor.

2. The source according to claim 1, characterized in that a second timing circuit is introduced through which the second feedback circuit is connected to the first feedback circuit.

3. The source according to claim 1 or 2, characterized in that a node for monitoring the overload current of the power transistor is introduced, the output of which is connected to the input of the control transistor.